浅析复杂岩体的水文地质结构及岩体结构控渗

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摘要：文章对复杂岩体的水文地质结构进行了综合研究分折，在对岩体水文结构论述的基础上，提出了结构控渗效应模型，得出了岩体渗透参数确定方法，并对岩体的透水性及岩体的结构控渗进行了分析。

关键词：水文地质；岩体结构；岩体渗透性；结构控渗

中图分类号：TU452　文献标识码：A　文章编号：1009-2374(2011)01-0113-02

水文地质系统通常包括水文地质结构系统和地下水流系统。水文地质系统不是孤立存在的，它受人类工程活动和自然因素的影响和制约，并且不断地运动和演化。岩体渗流的研究主要包括岩体结构和地下水两方面内容。岩体结构控制着地下水的渗流特性，地下水的运动又影响着岩体的物理力学性质，同时这两方面又受到人类工程活动的改造。

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岩体的水文地质结构的介绍

岩体的结构控制着岩体的物理力学和水力学性质，岩体结构的研究是任何工程中非常重要的一个环节。从水文地质研究的角度看：水文地质系统通常包括水文地质结构系统和地下水流系统两大部分。

水文地质结构的研究主要包括岩体的透水特性介质类型及结构面性状。水文地质结构系统是具有不同结构和水力学性质的水文地质综合体的空间组合。它构成了地下水的赋存空间，控制着地下水的储存和运移，是研究地下水流系统的基础。广义地说，能含水的岩体都可称为多孔介质，其中地下水以孔隙水形式存在的岩体称为孔隙介质，地下水以裂隙水存在的岩体称为裂隙介质，而地下水以裂隙一溶隙水存在的岩体称为孔隙一裂隙介质。相应于三种介质类型，我们可以把岩体水文地质结构概化为孔隙结构、裂隙结构、裂隙一溶隙结构三种基本模型。

2　岩体的透水性及岩体结构控渗效应的分析

2.1　岩体透水性的影响因素

总的来说，新鲜完整的岩体是基本上不透水的，岩体的透水性主要是由内部原生及构造性结构面和外部的风化作用、卸荷作用，地形地貌等诸多因素控制的。

自然界的一切岩体在成岩、风化、卸荷及构造作用下，内部都产生了规模、类型、性质各异的大量结构面，岩体被这些结构面切割分离成不规则的不连续体。这些结构面是地下水运动的通道和储存的空间。

忽略岩块的透水性以后，地下水在岩体中的渗透主要沿岩体中大量存在的裂隙进行。结构面的透水大小是由其空隙性决定的，其空隙性又是由结构面的宽度，粗糙度、充填度及充填物质的性质等决定的。同时，结构面的产状和性质还控制地下水的渗透各向异性。

地质体之间的作用和地质体与自然力的作用是十分复杂的，处在各种作用力下的岩体其应力和透水性都是随时间变化的，其变化与内外力的作用息息相关。不同岩体水文地质结构在不同时期、不同应力空间及外部作用下可以相互转化。如的基岩时时刻刻受着风化剥蚀作用，风化作用沿裂隙结构面不断进行，使裂隙介质转化为孔隙介质；可以使孔隙介质变的更加疏松，增大了其空隙性，从而增大了其透水性。而岩层的风化加深，泥质充填胶结，降低其透水性。查明不同岩体水文地质结构及其变化规律对工程研究意义重大。

2.2　岩体结构控渗效应

为了更好地描述岩体结构与渗流的关系和前者对后者的影响、决定作用，本文引用了结构控渗效应理论，并在前人研究的基础上，提出了如下结构控渗效应模型：

岩体结构分流交叉控渗效应模型。岩体结构控渗的分流效应，是指同级或不同级的地质结构面上或不同结构面之间渗流量的不均匀分配和优势沟槽流效应。该效应模型包括三个层次：(1)网络分流，即岩体渗流首先选择渗流优势面网络作较大规模的流动；(2)面上分流，即结构面内部的渗流继续选择不规则沟槽流动；(3)槽间分流，即结构面的沟槽流进一步选择渗流优势沟槽作为渗流路径。在同一水文地质系统内，三个分流层次的控制因素各不相同，网络分流是宏观空间控制，槽间分流受微观空间控制，而面上分流受同一岩体结构内控制。

分流主要受结构面开度、间距、粗糙度和充填状况的控制。结构面开度越大，间距越大，粗糙系数(JRCY)越大，其分流效应越明显。地质结构控渗的交叉流效应，指同级或不同级地质结构面交汇处地下水的偏向、偏流、局部水头损失及不同方向上水流阻力不等效应，其核心内容是偏流效应。交叉流主要受结构面的规模、开度、交叉特征和充填状况的控制。分流与交叉流是密不可分的，两者相互依赖相互制约，共同受地质结构的控制。故可含称为地质结构控渗的分流交叉效应。建立结构控渗模型，可以更好地查明同一岩体结构内部及不同岩体结构之间的水动力之间的关系。

3　岩体渗流分析及岩体渗透参数确定方法研究

岩体渗透参数是研究岩体渗流问题的非常重要的参数。因此如何正确、有效地确定岩体和结构面的渗透参数一直是工程地质和水文地质研究关注的问题。

由于研究问题时所采取的方法不同，往往同一参数所反映的同一客观岩体的质与量有所差异。因此，根据研究方法，渗透参数可分成原形参数、试验参数、模型参数、统计参数等。

原形参数也称固有参数，是指用于描述客观岩体的固有性能的参数，如岩体介质渗透性参数。

试验参数是指采用室内或野外试验手段确定岩体的参数。统计参数是运用统计学手段来获得客观岩体的某些参数。模型参数包括数学模型参数和物理模型参数。

总的来说，裂隙岩体的渗透系数的确定是岩体水力学研究的难题，从20世纪60年代开始国外一些学者就开始了这方面的研究。我国学者从20世纪80年代初开始了裂隙岩体渗透系数确定方法的研究，提出了一些比较实用的方法。目前岩体水力学参数的确定方法主要有三种：一是野外几何测量法；二是现场抽压)水试验法；三是数学模型反演求解法。

4　应力场对岩体渗透性的影响

地应力场与渗流场是岩体重要的赋存环境，二者相互联系，相互影响，研究岩体应力场和渗流场之间的耦合作用具有重要的理论意义和实践价值。

4.1　应力场与渗流场耦合机理

许多学者都对在应力场与渗流场的耦合机理作过研究，其最基本的观点是：裂隙在法向应力和剪切力作用下，裂隙面发生变形，如压应力下凸起体的压碎、裂隙尖端的塑性变形，剪切力作用下的剪胀、剪缩效应及碎屑颗粒的碾磨、岩粉化，这些变形改变了裂隙的等效水力传导开度及其他一些结构面水力学性质，从而改变了岩体的渗透特性。

4.2　地应力对裂隙岩体渗透特性的影响

随着埋深的增加，在岩体自重力的影响下，裂隙面法向方向产生压缩变形，裂隙逐渐闭合，理论上讲渗透系数变小。地应力对岩体渗透性的影响不仅表现在渗透系数大小的改变，而且还表现在对渗透各向异性性质的影响。当岩体的地质特征和物理力学参数确定后，岩体的渗透特性与地应力密切相关。地应力对岩体渗透特性的影响主要是通过改变不连续面的开度和不连续面网络的水力传导路径而产生的。

4.3　关于岩体渗流场与温度场耦合作用的讨论

随着合理论的发展，许多学者建议考虑温度场对渗流场的影响。我们可以认为裂隙岩体中渗流场与温度场的耦合作用表现在以下两个方面：(1)当岩体中发生渗流时，地下水的渗流运动促成了岩体内热能以对流的方式发生转移，进而使岩体内温度场得以重新分布；(2)岩体内温度场的变化，导致地下水赋存环境的相应变化，改变了岩体的热能物理性质，通过岩体结构的变化而影响岩体的渗透性及地下水的渗流特征。

5　结语

本文在对岩体水文结构介绍的基础上，对岩体的透水性及岩体的结构控渗效应做了分析，得出了岩体渗透参数确定方法。最后研究了应力场岩体渗透性的影响。